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Dessulfuração em Termoelétricas a Carvão O Caso da Usina

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Dessulfuração em Termoelétricas a Carvão O Caso da Usina
Dessulfuração em Termoelétricas a Carvão
O Caso da Usina de Candiota II
J.L. Castellan, D. T. Chazan, M. L. d`Ávila
RESUMO
Geração Termelétrica
Este artigo apresenta a avaliação técnico-econômica de
tecnologias de dessulfuração aplicáveis na Usina de Candiota
II, RS. Contempla a atualização do estado-da-arte das
tecnologias de dessulfuração e a avaliação técnica e econômica das tecnologias de maior potencial de aplicação ao caso
específico, com o propósito de avaliar o impacto da
dessulfuração nos custos de geração de energia elétrica na
termoeletricidade movida a carvão. Concluiu-se que a utilização da tecnologia de Lavadores do gás com calcário é a
opção mais atrativa. Esta alternativa apresentou um custo
de abatimento de 278,00US$/t de SO2 removido (eqüivalendo
a 8,00US$/MWh) para uma capacidade instalada de 400
MWe e a usina trabalhando com um fator de capacidade de
50% . Estes custos baixaram para 175,00US$/t de SO2
removido (equivalendo a 4,50US$/MWh) quando reduziuse para 200 MW a capacidade da planta de dessulfuração.
PALAVRAS-CHAVES
Carvão, Combustão, Dessulfuração, Termoeletricidade, Poluição Atmosférica.
I. INTRODUÇÃO
O presente artigo contempla uma abordagem referente à implementação de ações mitigadoras junto à Usina
Termoelétrica Presidente Médici - UPME, com o propósito
de promover a redução das emissões de SOx . Os dados
e resultados aqui explorados fazem parte do projeto de
pesquisa Modelagem da Dessulfuração para Termoelétricas
a Carvão [1] que a Fundação de Ciência e Tecnologia CIENTEC desenvolveu em parceria com a Companhia de
Geração Térmica de Energia Elétrica - CGTEE.
Antes de iniciar a discussão do tema central ao qual
nos propusemos analisar, é conveniente comentar e realizar determinadas considerações sobre a situação da
termoeletricidade a carvão no país.
Atualmente, verifica-se que este setor está sendo submetido a forte pressão, pois não é nada simples passar de
um sistema condominial de empresas estatais com mercados cativos e tarifas administradas, para outro de empresas independentes, em sua maioria de capital privado.
1
Os autores trabalham no Departamento de Engenharia de
Processos da Fundação de Ciência e Tecnologia CIENTEC.([email protected]; [email protected];
[email protected]).
2
Este artigo originou-se do projeto que integrou o Programa de
P&D 2000/2001 da Companhia de Geração Térmica de Energia
Elétrica – CGTEE, que o apoiou com recursos financeiros.
330
ANAIS DO II CITENEL / 2003
Assim, de um lado o governo pressiona o setor : com a
liberação do mercado, deixando de assegurar a compra da
EE das empresas geradoras; está em curso a extinção do
mecanismo de otimização do sistema hidrotérmico nacional conhecido como CCC - Conta de Consumo de Combustíveis e, ao mesmo tempo, administra a elevação do respectivo Valor Normativo. De outra parte, os órgãos ambientais
estabelecem padrões de emissões cada vez mais restritivos aos usuários de carvão mineral, por vezes - e o que é
mais grave - a revelia dos padrões da qualidade do ar na
região. Isto impõe sérias restrições ao setor e compromete a sua competitividade e a desejável expansão da
termoeletricidade a carvão no sul do país, que é no mínimo
estratégica e socialmente importante. A expansão da
termoeletricidade nacional é de suma importância, haja vista que proporciona um maior balanceamento da matriz
energética nacional, gera empregos, não contribui negativamente para o balanço das transações externas do país e
reduz o risco de futuros racionamentos e "apagões", pois
deixaríamos de estar a mercê do regime hidrológico - como
nos encontramos hoje.
O que o setor almeja é que haja uma melhor harmonia
entre os segmentos responsáveis pela administração do
setor elétrico brasileiro e os responsáveis pela preservação ambiental, a fim de se evitar a imposição de custos de
controle excessivos à nossa sociedade, em favor de um
abatimento de poluição desnecessário, como
freqüentemente ocorre quando se estabelecem padrões de
emissões rigorosas em regiões com padrões de qualidade
do ar bastante bons e ainda distantes dos padrões secundários. Ao se fazer esta advertência, o que se busca é não
obrigar os empreendedores a incrementarem os custos de
produção, imediatamente e de forma excessiva, que só se
justificariam no futuro, quando a região estiver
crescentemente ocupada por atividades poluidoras [2]. O
importante é evitar o dilema "Desenvolvimento a qualquer
preço x Proteção Ambiental a qualquer preço".
II. APRESENTAÇÃO
O estudo visou o atendimento dos seguintes objetivos globais:
• Realizar estudo técnico-econômico de alternativas de
processos de dessulfuração aplicáveis em Térmicas a
Carvão Pulverizado, visando à redução de emissões de
enxofre em Usinas Brasileiras.
• Desenvolver modelo analítico capaz de identificar processos de dessulfuração com maior potencial de êxito
para a redução das emissões de SOx e estabelecer o
ranking das alternativas de dessulfuração mais promissoras para melhorar a qualidade do ar junto à planta da
Usina Termoelétrica Presidente Médici - UPME.
• Vida útil restante limitada, principalmente da Fase A;
• Rendimento modesto do ciclo térmico;
• Opera com baixo Fator de Capacidade médio, conforme
demonstrado nos dados do Gráfico 1;
• Espaço limitado para instalação de planta de
dessulfuração.
No que se refere aos resultados e aos impactos setoriais
nacionais esperados, destacam-se os seguintes:
Obtenção de modelo analítico capaz de priorizar
tecnologias de dessulfuração, com maior potencial de
êxito para Termoelétricas Brasileiras.
Fornecer subsídios de cunho técnico e econômico para
a implementação de ações mitigadoras referente às emissões de SOx em termoelétricas.
Contribuir para a redução do impacto ambiental provocado pelas emissões de compostos sulfurados em usinas termoelétricas.
Avaliação do impacto da dessulfuração nos custos de
geração de energia elétrica em usinas térmicas a carvão.
Gerar subsídios capazes de auxiliar órgãos governamentais responsáveis pela elaboração e/ou revisão de normas regulamentadoras e de políticas relacionadas à
Termoeletricidade no Brasil.
Ampliar a capacitação nacional na área de dessulfuração,
em particular do pessoal da CIENTEC e da CGTEE.
Está previsto um acréscimo significativo do parque
termoelétrico movido a carvão mineral da região, a saber :
Usina de Candiota III ( 350 MWe), da própria CGTEE e a
Usina de SEIVAL ( 2 x 250 MWe ).
e
•
•
•
•
•
•
III. DIAGNÓSTICO DA USINA DE CANDIOTA II
A. Usina Termoelétrica Presidente Médici
Atualmente, a UPME apresenta uma capacidade total
instalada de 446 MWe, compreendendo quatro caldeiras
que utilizam o carvão de Candiota e adotam a tecnologia
de Combustão de Carvão Pulverizado. As principais características destas caldeiras que constituem as duas fases da usina de Candiota II são:
Fase A
Capacidade : 2 x 63 MWe.
Início de Operação: 1974.
Duas Caldeiras com Queimadores Frontais.
Fase B
Capacidade : 2 x 160 MWe.
Início de Operação: 1986.
Duas Caldeiras com Queimadores Tangenciais.
Outro fato relevante que impacta sobremaneira o desempenho das térmicas brasileiras, consiste no fato destas
trabalharem na ponta do sistema nacional de geração de
EE, com o propósito - nobre por sinal - de poupar recursos
não-renováveis. Entretanto, este regime de operação reduz o Fator de Capacidade (FC), eleva os custos de geração e proporciona efeitos negativos tanto na eficiência
energética quanto na eficiência dos processos de abatimento de poluentes.
A usina de Candiota II apresenta as seguintes características principais:
B. Características do Carvão de Candiota
O carvão consumido pela UPME é fornecido pela
CRM - Companhia Riograndense de Mineração, que é
extraído da jazida de Candiota e depois de simples britagem
é fornecido diretamente à referida usina. Portanto, o
carvão consumido pelas caldeiras é run of mine e é suscetível a apresentar freqüentes oscilações nas suas características básicas, pois como sabe-se, estas características variam em função da camada de carvão e com a própria frente de mineração.
O carvão de Candiota apresenta as seguintes análises características médias:
Análise Elementar
Enxofre (%) bs
1,6
Nitrogênio (%) bs
0,7
Carbono (%) bs
32,7
Hidrogênio (%) bs
2,2
Oxigênio e outros (%) bs
8,8
Análise Imediata e Poder Calorífico
Umidade Total (%)
3
16,0
Cinzas (%) bs
54,0
Matéria Volátil (%) bs
20,0
Carbono. Fixo (%) bs
26,0
Poder Calorífico sup.(kcal/kg) bs
3.100
Para um teor de enxofre de 1,6%bs no carvão teremos
uma emissão base de 7.000 mg SO2/Nm3 de gás de combustão, referido a 6% de oxigênio.
O carvão de Candiota apresenta elevado teor específico de umidade e de enxofre, considerando seu baixo poder calorífico, além de apresentar características intrínsecas que inviabilizam o seu beneficiamento por processos
convencionais [1].
II Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica
331
C. Padrão de Emissão de SO2 na UPME
Se persistir o estabelecimento de padrões de emissão da
ordem daqueles estabelecidos pelo IBAMA no passado próximo recente[1], valor indicativo de 2.000 mg SO2/Nm3 (700
ppm), será exigida a adoção de processo de dessulfuração
com eficiência relativamente elevada. Assim, se considerarmos que hoje as caldeiras de Candiota II proporcionam uma
emissão de SO2 da ordem de 7.000 mg /Nm3, pode-se concluir
que a eficiência de abatimento de enxofre deverá ser superior
a 70%, para que aquele padrão de emissão seja atendido.
Geração Termelétrica
IV. AS TECNOLOGIAS DE DESSULFURAÇÃO
Considerando-se que a termoeletricidade deverá experimentar um crescimento significativo no país, pode-se
afirmar que os limites das emissões de enxofre deverão
tornar-se cada vez mais restritivos, e os geradores de energia elétrica devem decidir se: promovem a mudança da base
tecnológica, através da adoção das chamadas Tecnologias
Limpas, em substituição às caldeiras hoje existentes; reduzem o enxofre do combustível ou implantam tecnologias de
dessulfuração nas termoelétricas "antigas".
As opções de controle aplicáveis para reduzir as emissões de enxofre na termoeletricidade e atender os padrões
estabelecidos na legislação incluem:
1. Mudanças do combustível: visando à redução do teor
de enxofre no combustível, seja através da implementação de ações na área de beneficiamento do carvão ou
através da adoção de sistemas híbridos de combustão
ou de geração de energia elétrica;
2. Introdução de tecnologias de dessulfuração do gás, durante ou após a combustão;
3. Adoção de tecnologias limpas de geração de energia
elétrica, implicando a mudança da base tecnológica de
geração de energia elétrica, através do emprego das
tecnologias de combustão em leito fluidizado ou de
gaseificação de carvão em ciclo combinado.
Para o caso específico da UPME, em particular da usina
de Candiota II, a alternativa que contempla a introdução de
tecnologias de dessulfuração do gás, durante ou após a combustão, é a que apresenta maior atratividade para implementação de ações de curto prazo, visando a redução de emissões de
SOx. Esta afirmativa é fundamentada nos seguintes aspectos:
a. O carvão de Candiota apresenta características intrínsecas que inviabilizam o seu beneficiamento pelos processos convencionais. Caso implementado, poderia ser caracterizado como predatório, por apresentar reduzido rendimento na fração mais nobre e com baixo enxofre. Além
disto, a implementação desta ação para o caso específico promoverá o desperdício de recursos naturais e propiciará a ocorrência de danos ambientais de maiores proporções globais, pois causam impactos nos meios água
e solo, além de onerar o preço do carvão e torná-lo mais
escasso. Estes fatos, aliados a indisponibilidade de gás
natural na região, que poderia substituir parte do carvão
consumido nas caldeiras, praticamente eliminam a alternativa de mudança do combustível, que possibilitaria
auferir uma redução sensível nas emissões de enxofre.
b. Apesar da idade avançada das caldeiras de Candiota II, a
mudança da base tecnológica - de carvão pulverizado para
leito fluidizado, por exemplo - deve aguardar o agravamento da sua obsolescência e/ou competitividade. Logo, a alternativa adoção de tecnologias limpas de geração de energia elétrica, implicando a mudança da base tecnológica da
UPME, assumirá importante papel - no que diz respeito ao
tema dessulfuração - como uma ação de médio ou longo
prazo. Portanto, esta alternativa não nos parece ser a de
maior atratividade no momento atual, apesar dos ganhos
potenciais em eficiência térmica e ambiental que oferece,
pois exige investimento expressivo mesmo na hipótese de
adequação das caldeiras atuais, que apresentam boas condições de gerar energia por um período relativamente longo, principalmente as caldeiras da Fase B, que possuem
maior vida útil restante.
Os processos comerciais de dessulfuração, durante e
após a combustão, aplicáveis nas termoelétricas a carvão
pulverizado são normalmente classificados segundo as cinco categorias relacionadas na Tabela 1.
TABELA 1
Classificação das Tecnologias de Dessulfuração
PROCESSO
MATERIALABSORVENTE
SUBPRODUTO
CaCO3 (calcário) / Ca(OH)2 , CaO (cal)
CaSO4 . 2H2O (gesso) ou CaSO3 / CaSO4
LAVADORES
Cal/Calcário
Sódio
Água do mar
Na2CO3 (soda barrilha) , NaOH
Na2SO3
Água do mar (+ Ca(OH)2)
Retorno ao mar
NH3 (amônia)
(NH4)2SO4
Duplo álcali
Na2CO3 + CaCO3 (ou CaO)
Gesso, CaSO3 / CaSO4
SEMI-SECO
Ca(OH)2 (lama de cal)
CaSO3 / CaSO4
CaCO3 ,Ca(OH)2 ,CaCO3.MgCO3
CaSO3 / CaSO4
Ca(OH)2 , CaO
CaSO3 / CaSO4
CaCO3 , Ca(OH)2
CaSO3 / CaSO4
Amônia
SECO
Injeção na fornalha
Injeção na linha de gás
Híbrido
Leito fluidizado
Ca(OH)2
CaSO3 / CaSO4
REGENERÁVEL
Na2SO3 / MgO / Aminas
SO2 , S , H2SO4
NH3
(NH4)2SO4 , NH4NO3
COMBINADO
NOx / SOx
3
332
bs. base seca
ANAIS DO II CITENEL / 2003
A seleção das tecnologias de elevado potencial de
aplicação na usina de Candiota II está fundamentada no
seguinte elenco de considerações, que fez com que a maioria das alternativas relacionadas na Tabela I ficassem em
segundo plano:
A seleção das tecnologias de elevado potencial de
aplicação na usina de Candiota II está fundamentada no
seguinte elenco de considerações, que fez com que a maioria das alternativas relacionadas na Tabela I ficassem em
segundo plano:
As licenças ambientais expedidas por órgãos ambientais para a UPME apresentam incongruência. Uma delas
estabeleceu padrões de emissão muito restritivos, somente alcançáveis pelas tecnologias que apresentam alta eficiência de abatimento de enxofre, e em outra oportunidade
sugerem a adoção do processo de Injeção Direta de
Calcário nas caldeiras, que como sabe-se é um processo
que apresenta eficiência de dessulfuração relativamente
baixa (<50%).
• A região de Candiota dispõe de importantes reservas de
calcário. O calcário calcítico (40% CaO) é explorado e
utilizado pelos dois fabricantes de cimento instalados
na região e é mais escasso, enquanto que o calcário
dolomítico (30% CaO) é bastante abundante na região e
no Estado.
• Candiota está relativamente distante da costa marítima,
reduzindo a priori a competitividade dos lavadores que
utilizam água do mar como agente dessulfurante. A
priorização desta alternativa poderá ser alterada caso a
água do mar possa exercer outro papel de relevância ao
referido pólo termoelétrico, como por exemplo, suprir necessidades para o arrefecimento dos ciclos térmicos, o
que elevaria a escala de utilização da água do mar e poderia vir a viabilizar o empreendimento na região, onde a
água é escassa.
• Existe uma tendência mundial de incrementar o emprego
de amônia como agente de dessulfuração, principalmente onde é intensiva a exploração da agricultura (este é o
caso do RS) - atividade altamente demandante de fertilizantes, como o sulfato de amônio que é o subproduto do
referido processo. O Brasil importa amônia e sulfato de
amônio, ambos de elevado preço no mercado. A experi-
ência internacional das tecnologias que utilizam amônia
ainda é pequena e a competitividade destas está fortemente calcada no mercado e preço do subproduto, pois
requerem investimentos cerca de 30% superiores aos
processos que utilizam lavadores com calcário [1]. As
usinas brasileiras SEIVAL do RS e a SUL CATARINENSE
de SC deverão gerar mais de 500.000 t/a de sulfato de
amônio e, sozinhas, deverão substituir cerca de 33% da
quantidade hoje importada pelo país.
• Os processos regeneráveis apresentam custos muito elevados e somente são aplicáveis quando: a usina se localiza em zona de alta densidade demográfica, onde a circulação de grandes massas de matérias-primas e
subprodutos é impraticável/inviável; existe mercado para
os subprodutos comercializáveis e/ou quando os custos de disposição de rejeitos e subprodutos são tão elevados que justificam e viabilizam os elevados custos
destes processos. Esta definitivamente não é a situação
da UPME que está instalada numa região remota e relativamente distante de mercados demandantes por
subprodutos comercializáveis.
• Os processos combinados assemelham-se aos
regeneráveis e priorizam o abatimento conjunto das emissões de NOx e SOx. Considerando-se que a combustão
da maioria dos carvões nacionais apresenta reduzido
poder calorífico, conseqüentemente baixa temperatura
de chama, via de regra as emissões de NOx são tão baixas que dispensam qualquer iniciativa para a sua redução. Razão pela qual a seleção destes processos somente apresentará atratividade quando se fizer necessário o
abatimento concomitante destes dois poluentes.
Na Tabela 2 são apresentadas as principais características típicas das diferentes categorias de processos de
dessulfuração aqui apresentados.
Diante do exposto, selecionou-se cinco alternativas
de processos de dessulfuração com maior potencial para
atender as metas da CGTEE no que se refere a redução do
SO 2 emitido pela usina de Candiota II. Logo, o
aprofundamento do estudo técnico e econômico recaiu
sobre as seguintes técnicas de dessulfuração:
1-Lavador com Calcário Calcítico.
2-Injeção Direta de Calcário Dolomítico na Fornalha.
TABELA 2
Características Típicas de Sistemas de Dessulfuração [1]
Característica
Lavadores
Semi-Seco
Seco ( I D )
Regenerável
Combinado
Eficiência DESOX (%)
Investimento (US$/KWe)
Consumo de E Elétrica (%)
90-98
75-90
50-60*
85-98
150-280
140-190
60-120*
190-380
1-3
0,5 -1
<0,5
<5
elevado
baixo
baixo
elevado
Espaço para Instalação
alto
moderado
baixo
alto
Consumo de Absorvente
baixo
moderado
alto
muito baixo
Subproduto Vendável
(*) Processo Híbrido e de Leito Fluidizado Circulante apresentam eficiências de até 75 e 90%, respectivamente.
II Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica
333
3- Dessulfuração a Seco com Amônia.
4- Lavador com Amônia.
5- Dessulfurador Semi-Seco com Cal Dolomítica.
Geração Termelétrica
A seguir, são apresentadas as características das
tecnologias alternativas de dessulfuração, que possuem
elevado potencial de aplicação na Usina Termoelétrica Presidente Médici.
A. Dessulfuração de Gases por Via Úmida com Calcário
Em muitos países desenvolvidos, a tecnologia de
dessulfuração por via úmida é um processo bastante adequado para a remoção de SO2 , predominando mundialmente a dessulfuração com calcário, tendo como
subproduto o gesso. Esta escolha é explicada basicamente pela elevada confiabilidade e desempenho do processo
calcário/gesso, além da alta disponibilidade de calcário e
pelo mercado relativamente grande para a comercialização
do gesso.
No processo convencional de dessulfuração por via
úmida do gás de combustão com calcário, o lavador é instalado após o sistema de remoção de material particulado
em filtros de mangas ou precipitador eletrostático. O gás é
introduzido numa torre de absorção (dessulfurador) na qual
é submetido a íntimo contato com a solução aquosa concentrada em cálcio. O SOx do gás é retido na forma de
sulfito e sulfato de cálcio, que são submetidos a
desumidificação e seguem para sedimentação em
espessador.
Uma variante do processo tradicional por via úmida é
o chamado processo de dessulfuração com oxidação forçada. Neste processo, o sulfito de cálcio inicialmente formado é oxidado a sulfato de cálcio (gesso) através da injeção de ar diretamente na base do tanque da torre de
dessulfuração. Devido a sua estrutura e dimensões maiores, os cristais de gesso decantam e liberam água mais
facilmente que os cristais de sulfito, reduzindo consideravelmente o porte dos equipamentos de processamento dos
subprodutos.
As reações parciais de absorção e oxidação do SO2
no processo calcário/oxidação forçada são:
→
H2SO3
SO2 + H2O
CaCO3 + H2SO3
→
CaSO3 + CO2 + H2O
CaSO3 + ½ O2 + 2H2O →
CaSO4.2H2O
As principais características desta tecnologia de
dessulfuração são:
• Os lavadores apresentam elevado desempenho e são
usualmente projetados para eficiências de remoção na
faixa de 90 a 95 %. Pela crescente confiabilidade que
adquiriram ao longo de anos de utilização, a prática atual
é a de dispensar o lavador adicional de reserva.
• Requer maior área para sua instalação e apresenta custo
específico de investimento relativamente elevado.
• Requer baixo consumo de calcário (Ca/S 1,1).
334
ANAIS DO II CITENEL / 2003
• Não provoca qualquer alteração na rotina operacional, bem
como no ciclo de manutenção da caldeira propriamente dita.
• A produção e a constituição das cinzas não será alterada. Entretanto, gerará cerca de 80 kg/MWh de sólidos,
contendo elevado teor de gesso, o qual poderá ser
comercializado para a indústria cimenteira/construção
civil e contribuir para a redução dos custos operacionais
da planta de dessulfuração por via úmida.
• Este processo é adequado ao emprego de calcário
calcítico, que é mais escasso no RS, porém é extraído e
utilizado na região.
• Há geração de efluente líquido e necessita de algum consumo adicional de água.
• Esta alternativa proporciona um abatimento bastante
expressivo do material particulado remanescente no gás
de combustão efluente dos precipitadores.
B. Processo Semi-Seco com Cal
Neste processo uma solução aquosa de cal hidratada
é atomizada num vaso de absorção (dessulfurador) instalado na linha do gás de combustão, onde ocorre a reação
do agente dessulfurante com o SO2, evapora-se a água da
solução dessulfurante resultando na formação de sulfato e
sulfito de cálcio secos, que são abatidos em precipitador
eletrostático ou filtro de mangas.
O processo pode contemplar a recirculação de sólidos com o propósito de reduzir o consumo específico do
agente dessulfurante.
As reações fundamentais envolvidas neste processo são:
→
SO3. ½H2O + ½H2O
Ca(OH)2 + SO2
CaSO3. ½H2O + ½ O2 →
CaSO4. ½H2O + CO2
O incremento do uso deste processo depende do desenvolvimento de aplicações industriais da cinza modificada
produzida. A adoção deste dessulfurador a jusante do
precipitador eletrostático é comum na Europa para obter
subprodutos distintos com maior potencial de comercialização,
a saber: cinzas volantes e produtos sulfatados.
C. Processo Seco de Injeção Direta de Calcário na
Fornalha
No processo de injeção direta na câmara de combustão da caldeira, calcário pulverizado é injetado na região
superior da fornalha. A temperatura, o tempo de residência, a reatividade e as condições de distribuição do agente dessulfurante, além da granulometria e área específica
do absorvente são fatores determinantes para o rendimento da dessulfuração, o qual não deve superar 50%
quando emprega-se razão molar Ca/S da ordem de 2 (100%
de excesso do agente dessulfurante). Este processo é
muito dependente também da geometria e da carga da
caldeira, pois estes exercem forte influência no perfil de
temperatura e no tempo de residência do gás na caldeira,
que são fatores determinantes para a taxa da reação de
dessulfuração do gás de combustão.
As reações fundamentais envolvidas neste processo são:
CaCO3
→
CaO + CO2
CaO + SO2
→
CaSO3
CaSO3 + ½ O2
→
CaSO4
Os processos de injeção direta são bastante recomendados quando processamos carvão com baixo enxofre e/
ou quando dispomos de usinas térmicas de pequeno porte
e que apresentam baixa disponibilidade de espaço.
As principais características desta tecnologia aplicada
para o caso específico da UPME, são relacionadas abaixo:
• Apresenta baixa eficiência média de dessulfuração 45%.
Espera-se que as caldeiras da Fase A apresentem rendimento da ordem de 50% e as da Fase B da ordem de 40%,
pois as geometrias e os sistemas de queima são muito
diferenciados.
• Aumento de aproximadamente 28% na geração global de
cinzas, quando utilizado calcário calcítico. O acréscimo
nas cinzas volantes deverá ser da ordem de 33% e a sua
composição será alterada, pela incorporação de sulfato,
sulfito e óxidos de cálcio, entre outros componentes
decorrentes da adição de calcário. Isto poderá comprometer a comercialização das cinzas volantes modificadas
ao setor cimenteiro. Este mercado, consumidor de parcela nada desprezível das cinzas de carvão, oportuniza
uma destinação extremamente nobre às cinzas, pois
minimiza o impacto destas sobre os meios solo e água,
além de contribuir com alguma receita às usinas.
• A carga de material particulado, que circulará através
das tubulações e equipamentos dispostos a jusante da
câmara de combustão, será incrementada significativamente, podendo acelerar desgastes por abrasão. Por outro lado, reduzirá a corrosão atribuída ao SOx e espera-se
a elevação da eficiência de abatimento do MP [3], razão
pela qual as emissões de particulados devem permanecer na mesma ordem de grandeza.
• As cinzas modificadas (volantes) deverão receber tratamento específico, pois apresentam maior atividade
(óxido de cálcio livre, por exemplo) que as cinzas tradicionais.
• Este processo deverá elevar o consumo de energia térmica em até 3%, contribuindo para reduzir ainda mais a
eficiência destas caldeiras.
• Necessita de espaço relativamente reduzido para a sua
instalação e requer baixo investimento.
• A recirculação de sólidos, com o propósito de reduzir o
consumo específico do agente dessulfurante (Ca/S = 3),
não é passível de aplicação no caso, já que o carvão
apresenta elevado teor de cinzas.
• O processo é muito adequado ao emprego do calcário
dolomítico, bastante abundante no RS e de menor preço que o calcítico. Entretanto, o seu baixo teor de CaO
exigirá um acréscimo da ordem de 30% no consumo de
calcário.
D. Dessulfuração por Via Úmida com Amônia
Muitas das tentativas iniciais de dessulfuração com
amônia nos anos 70 e 80 apresentaram problemas com relação às emissões de amônia e a formação de aerossol, produzindo a chamada pluma azul. Nos novos processos
desenvolvidos nos anos 90, estes problemas foram
minimizados através do controle e manutenção do pH em
nível mais baixo, pela adoção da oxidação forçada in situ
do líquido do lavador ou ainda pela utilização de precipitador
eletrostático adaptado à eliminação de vapores. Este último dispositivo deve assegurar a eliminação da pluma azul
removendo o aerossol formado quando se empregam carvões com elevado teor de enxofre e/ou cloreto.
Após a remoção de particulados, o gás quente é inicialmente enviado para um pré-lavador opcional onde entra em contato com uma solução saturada de sulfato de
amônio através de fluxo concorrente. O gás é resfriado por
saturação adiabática e, devido à evaporação de água da
solução saturada, ocorre a cristalização do sulfato de
amônio. Desta forma, o pré-lavador funciona como
evaporador/cristalizador, no qual o calor do gás é efetivamente utilizado para a geração do sulfato de amônio.
O gás é então introduzido no absorvedor, onde o óxido
de enxofre é removido do gás pelo contato com a solução
diluída de sulfato de amônio que é reciclada aos atomizadores do dessulfurador. Na base deste tanque injeta-se a amônia e o ar necessário à formação do sulfato de amônio. O gás
dessulfurado é tratado para eliminar névoas e aerossol e é
então lançado para a atmosfera pela chaminé. Normalmente
se faz necessário reaquecer o gás por técnicas tradicionais
para manter uma boa dispersão das emissões.
O sucesso na lavagem de gases com amônia reside
em evitar emissões de amônia e de aerossol pelo gás.
As reações presentes na absorção e oxidação de SO2
com amônia podem ser expressas como segue:
SO2 + 2NH3 + H2O
→
(NH4) 2SO3
(NH4) 2SO3 + ½ O2
→
(NH4) 2SO4
O mecanismo que efetivamente ocorre é bem mais
complexo envolvendo equilíbrios entre sulfito e bissulfito,
bem como entre sulfato e bissulfato.
O sistema de dessulfuração com amônia requer a garantia do fornecimento de amônia, bem como do mercado
para o sulfato de amônio, que são commodities no mercado mundial e de preços elevados.
E. Dessulfuração a Seco com Amônia - Processo EBA
O processo EBA (Eletron Beam with Ammonia) é uma
tecnologia inovadora de controle da poluição do ar a seco
que, através da injeção de amônia e irradiação de feixe de
elétrons, promove eficiente remoção dos óxidos de enxofre
e de nitrogênio do gás de combustão. Estes contaminantes,
além de ácido clorídrico gasoso são convertidos em
subproduto sólido, constituído principalmente de sulfato
e nitrato de amônio que são empregados na agricultura.
II Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica
335
Geração Termelétrica
O processo EBA, que opera a seco, consiste de três
etapas principais:
• arrefecimento do gás de combustão.
• injeção de amônia e irradiação de feixe de elétrons.
• abatimento e beneficiamento dos subprodutos
nitrogenados gerados.
Após a remoção da cinza volante em precipitadores
eletrostáticos, o gás de combustão bruto é umidificado e
sofre um arrefecimento, atingindo temperaturas na faixa de
60-65ºC. Este gás, após sofrer injeção de amônia, passa ao
compartimento de reação, sendo submetido à irradiação de
feixe de elétrons. O produto seco granulado é obtido de
reação de amônia com os diversos gases ácidos e é abatido em um precipitador eletrostático.
As reações que ocorrem no compartimento de reação,
todas completadas em segundos, são classificadas como
"induzidas por feixes de elétrons".
As vantagens principais do processo EBA, frente aos
processos combinados, são:
• Remoção eficiente e simultânea de SO2, SO3 e NOx e de
qualquer gás ácido presente, incluindo HCl, em uma única operação;
• Baixa opacidade na emissão da chaminé;
• Facilidade de operação com sistema simplificado de
ligar e desligar;
• Operação a seco, evitando a geração de efluente líquido;
• Subproduto com valor comercial para emprego como fertilizante.
•
•
•
•
As principais desvantagens deste processo são:
Custos elevados em unidades que não requerem redução de NOx;
Energia requerida relativamente elevada para a geração
do feixe de elétrons, exigindo transformadores potentes;
Manutenção especializada e dependente de importação,
logo onerosa;
Remoção de enxofre limitada em 94%.
V. ESTUDO TÉCNICO-ECONÔMICO
Os custos de capital e de operação de uma planta de
dessulfuração são influenciados por fatores relacionados
à localização da Usina.
Os custos de capital são consideravelmente influenciados pelas condições mercadológicas e outros fatores,
tais como: impostos, custos financeiros, localização geográfica e grau de complexidade e intensidade de trabalho
requerido para preparação da área necessária para sua instalação. De outra parte, estes custos também dependem de
fatores técnicos, tais como os elencados abaixo:
• Concentração de SO2 no gás de combustão.
• Eficiência de dessulfuração requerida.
• Volume de gás que será tratado ( eficiência do ciclo térmico ).
• Qualidade dos subprodutos gerados.
• Grau de confiabilidade e redundância requerida para equipamentos.
336
ANAIS DO II CITENEL / 2003
• Capacidade da planta.
• Vida útil da Instalação.
• Outras exigências ambientais, relacionadas à disposição de
efluentes e rejeitos e à necessidade de reaquecimento do gás.
Os custos operacionais dependem dos custos do absorvente, de disposição de efluentes e rejeitos ou dos preços de comercialização dos subprodutos, todos influenciados por condições locais. Os custos variáveis de operação são proporcionais à quantidade removida de SO2 e os
de disposição de subprodutos assumem valor negativo
quando são comercializáveis. Estes custos são fortemente
influenciados pela localização da planta.
Para a realização da análise das cinco alternativas selecionadas, produzimos os Gráficos 2 e 3, a partir do modelo desenvolvido[1]. Nestes se pode visualizar o impacto
da Dessulfuração nos custos de geração de energia elétrica ( EE ), para o Caso A - Plantas de Dessulfuração com
capacidade instalada de 400 MW, para atender uma produção de energia correspondente a 50% da capacidade instalada na Usina de Candiota II.
Na Tabela 3 são apresentadas os dados mais relevantes
das alternativas que compreenderam este estudo e proporcionaram a produção dos Gráficos 2 e 3. Estes dados são
referenciados para uma capacidade de geração de EE de 223
MWh, correspondendo a um fator de capacidade de 50%
para a UPME. Como se vê claramente, a alternativa Lavador
com Calcário é a que implica menores custos de abatimento
dentre as alternativas que reduzem 90% da carga poluidora. E
ela é, inclusive, mais barata do que a alternativa que abate
80%. Só não é mais barata do que a alternativa Injeção Direta
de Calcário, mas esta abate apenas a metade do SO2 emitido.
Logo, a alternativa Lavador com Calcário é a mais atraente.
O Gráfico 2 nos mostra que o processo de Injeção
Direta de Calcário é o de menor custo. Entretanto, se con-
Nacional do Sistema Elétrico demande maior produção das
Térmicas somente quando se faz necessário recuperar ou
manter o nível de água desejado nos reservatórios das
hidroelétricas.
Este fato sugere que a melhor relação custoefetividade será auferida na situação em que a capacidade da planta de dessulfuração da UPME se aproximar da
sua capacidade média de geração de EE. Isto proporcionará a obtenção de um abatimento bastante bom de poluição atmosférica a um custo bem mais suportável pela
sociedade brasileira, conforme dados explicitados no Gráfico 4. Neste gráfico, são apresentados os custos das
diferentes alternativas para uma planta com capacidade
para tratar o gás de combustão equivalente a produção
de 200 MWh - Caso B. Cabe ressaltar que os custos da
Injeção Direta de Calcário, por ser um processo de
dessulfuração que ocorre durante a combustão, não se
beneficiará desta estratégia.
siderarmos também os benefícios ambientais das diferentes alternativas, pode-se verificar que a alternativa mais
atrativa é revelada pelo processo de Lavagem do Gás com
Calcário, ver Tabela 3. O custo específico, expresso por
US$ / t de SO2 abatido, explicitado nesta tabela, é um
parâmetro mais apropriado para adotar-se como critério
para o estabelecimento do ranking das tecnologias de
dessulfuração, uma vez que contempla a eficiência de abatimento de enxofre.
Portanto, pode-se afirmar que a ordem decrescente de
atratividade das tecnologias estudadas para o caso específico da UPME é o seguinte:
1. Lavador com Calcário - US$ 278 / t SO2 removido.
2. Lavador com Amônia - US$ 362 / t SO2 removido.
3. Injeção Direta de Calcário - US$ 381 / t SO2 removido.
4. Processo Semi-Seco com Cal - US$ 396 / t SO2 removido.
5. Processo Seco com Amônia - EBA - US$ 437 / t SO2
removido.
O Gráfico 3 mostra que os processos que usam amônia apresentam custos de O&M (operação e manutenção)
bastante sensíveis à comercialização do subproduto.
O acréscimo dos custos de geração de EE proporcionados pelas alternativas de dessulfuração de melhor desempenho ambiental (reduzida emissão de SO2), são superiores a US$ 8,00 / MWh. Este custo representará um acréscimo superior a 32% do preço máximo de venda de EE (Valor Normativo estabelecido pela ANEEL) para as distribuidoras, que é da ordem de US$ 25,00 para o caso de
Termoelétricas movidas a carvão. Este fato é praticamente
insustentável para a realidade brasileira, onde o preço da
EE ainda é relativamente baixo se confrontado com aqueles praticados nos países mais desenvolvidos - população
com maior poder aquisitivo e onde a qualidade do ar está
muito mais comprometida devido à elevada taxa de emissão de poluentes.
Outrossim, a Usina Termoelétrica Presidente Médici,
bem como as demais térmicas brasileiras, trabalha com baixo fator de capacidade médio anual (ver Gráfico 1), como
conseqüência da predominância da Hidroeletricidade no
sistema interligado brasileiro, fazendo com que o Operador
A única desvantagem do Caso B ( plantas de
dessulfuração com capacidade de 200 MW ), consiste no
fato de que as emissões de SO2 serão maiores que as
observadas no Caso A ( plantas de dessulfuração com
capacidade de 400 MW ) sempre que a geração de EE
superar a capacidade instalada da planta de dessulfuração.
Entretanto, esta desvantagem será atenuada em parte,
pois sabe-se que a maior demanda de EE de origem Térmica (nível d'água baixo nos reservatórios das hidroelétricas)
se verifica justamente durante a primavera e o verão, oca-
TABELA 3
Alternativas de Dessulfuração para a Upme - Fc 50% - Caso A
Parâmetro \ Alternativa
Absorvente
1. Lav. Calcário
2. Lav. Amônia
3. Inj. Direta
4. Semi-Seco
5. EBA
Amônia
Calcário Calcítico
Amônia
Calcário Dolomítico
Cal Dolomítica
Capacidade Instalada (MWe)
400
400
400
400
400
Investimento (milhões US$)
80
100
32
60
120
Eficiência DESOX (%)
90
90
45
80
90
Custo da Dessulfuração (US$/MWh)
8,00
10,40
5,50
10,10
12,60
278,00
362,00
381,00
396,00
437,00
SO2 Capturado (t/a)
(US$/ t SO2 removido)
56.000
56.000
28.000
50.000
56.000
Consumo de Absorvente (t/a)
144.000
30.200
547.000
207.000
30.200
3
Emissão de SO2 (mg/Nm )
700
700
3.900
1.400
700
Emissão de MP (mg/Nm3)
<100
<100
<1.000
<100
<100
II Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica
337
sião em que as condições climáticas favorecem a dispersão de poluentes na atmosfera, fazendo com que o agravamento da qualidade do ar não guarde a mesma proporção de crescimento das emissões.
Na Tabela 4 são apresentados os dados mais importantes que o modelo desenvolvido forneceu para o
Caso B. Conforme se pode verificar, as vantagens em
termos de redução dos custos superam em muito as desvantagens com o pequeno incremento verificado nas
respectivas emissões.
mo mais modesto nos custos da EE gerada (4,50 contra
8,00 US$/MWh), e que necessita menor área para a sua
instalação, pode-se concluir que a implantação de uma
unidade de dessulfuração com capacidade de 200 MW,
empregando a tecnologia de lavagem do gás de combustão com calcário, é a melhor alternativa recomendada para
a referida usina.
VIII. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem as contribuições de V. F.
Reichelt, E. M. Cánepa, M. J. S. Soares, J. Katzap, A. C. O.
Sarmento, J. R. Santana da CIENTEC e de F. N. M. Porto,
A. D. Siqueira, L. A. R. Mousquer da CGTEE.
Geração Termelétrica
VII. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Conforme demonstrado na seção anterior, as
tecnologias de dessulfuração que empregam Lavadores,
foram as mais atrativas para o caso específico da Usina
Termoelétrica Presidente Médici. É importante registrar
que estas tecnologias também oportunizam relevante abatimento do material particulado presente no gás de combustão, ver dados nas Tabelas 3 e 4.
A alternativa Lavador com Calcário é a que mais se
destacou e apresentou a melhor relação custo-efetividade,
tanto para o Caso A como para o Caso B estudados.
Isto posto, e levando-se em consideração que o Caso
B oferece vantagens significativas em termos de acrésci-
IX. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] J. L. Castellan, D. T. Chazan, M. L. d`Ávila "Modelagem da
Dessulfuração para Termoelétricas a Carvão", CIENTEC, Porto
Alegre, RS - Relatório Técnico, p. 46 , out. 2002.
[2] J. L. Castellan, E. M. Cánepa, J. C. C. Cunha,- "A Legislação
Ambiental e a Competitividade de Termoelétricas a Carvão no
Brasil" - CIENTEC, Porto Alegre, RS, dez. 1997.
[3] D. T. Chazan, M. L. d`Ávila, J. L. Castellan, Projeto "Estudo e
Avaliação da Dessulfuração Direta com Calcário em Caldeira
Termoelétrica com Carvão Pulverizado" CIENTEC, Porto
Alegre, RS - Relatório Técnico, p. 46 , fev. 2002.
TABELA4
Alternativas de Dessulfuração para a Upme - Fc 50% - Caso B
Parâmetro \ Alternativa
Absorvente
1. Lav. Calcário
2. Lav. Amônia
3. Inj. Direta
4. Semi-Seco
5. EBA
Calcário Calcítico
Amônia
Calcário Dolomítico
Cal Dolomítica
Amônia
Capacidade Instalada (MWe)
200
200
400*
200
200
Investimento (milhões US$)
40
50
32
30
60
Eficiência DESOX (%)
81
81
45
72
81
Custo da Dessulfuração(US$/MWh)
4,50
5,90
5,50
7,00
7,20
(US$ / t de SO2 removido)
175,00
229,00
381,00
306,00
277,00
SO2 Capturado (t/a)
50.400
50.400
28.000
44.800
50.400
547.000
185.000
27.000
Consumo de Absorvente (t/a)
129.000
27.000
3
Emissão de SO2 (mg/Nm )
1.350
1.350
3.900
2.000
1.350
Emissão de MP (mg/Nm3)
<170
<170
<1.000
<170
<170
(*) Esta opção deve ser instalada em todas as caldeiras, não permitindo a redução da sua capacidade.
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ANAIS DO II CITENEL / 2003
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